Челябинские и немецкие ученые создали нанотехнологию молекулярной биоэлектроники

6 Февраля 2018 Автор: Евгений Аникиенко Фото: Вячеслав Шишкоедов
Челябинские и немецкие ученые создали нанотехнологию молекулярной биоэлектроники

Возможно ли встроить электронные микросхемы в тело человека, чтобы те в режиме онлайн сообщали нам о состоянии организма?

Эту фантастическую, казалось бы, цель поставили перед собой челябинские ученые. Причем эти микросхемы будут работать на молекулярном уровне, а роль «анализатора» выполнять золотые наночастицы!

Одно из возможных применений — диагностирование рака и других болезней на ранней стадии и биокоррекция организма человека. Возможно, в перспективе появится возможность задействовать и механизм биоэлектрической активности мозга, который будет посылать сигналы в очаг болезни и сам себя лечить. Это и стало главной темой нашего разговора с одним из создателей прорывной нанотехнологии, доктором естественных наук (немецкая научная степень) Федором Подгорновым, сотрудником лаборатории молекулярной электроники ЮУрГУ.

Право или лево?

— Как вы пришли к этой идее?

— Этими исследованиями мы начали заниматься еще в Германии, в Техническом университете Дармштадта, с моим научным руководителем профессором Вольфгангом Хаазе, который теперь в рамках международной научной коллаборации возглавляет нашу лабораторию. Затем продолжил эту работу в ведущем мировом центре по изучению жидких кристаллов США, в Kent State University, что в штате Огайо. Этот НИИ возглавлял выходец из Украины профессор Олег Лаврентович, с которым мы исследовали эффекты электрокинетического движения частиц в жидких кристаллах и нанотехнологий в биологии и медицине. А в Кембриджском университете мне довелось участвовать в создании нанодисперных материалов для высокочастотной электроники и голографических дисплеев на жидких кристаллах.

— В чем новизна ваших ноу-хау?

— Мы изучаем взаимодействие наночастиц с так называемыми мезофазными материалами — жидкими кристаллами. И выяснили, что металлические наночастицы, взаимодействуя с ними, меняют как свой «оптический отклик», так и материалов матрицы.

Поясню, что хиральность — одна из особенностей природы, когда симметрия «правых» и «левых» объектов нарушается, как в зеркальном отражении, которое невозможно вращением совместить с «оригиналом». Типичные хиральные объекты — руки человека, а на молекулярном уровне — например, молекула ДНК.

Хиральные и ахиральные материалы по-разному взаимодействуют с поляризованным оптическим излучением. Если хиральную молекулу осветить электромагнитной волной, на электрическую поляризацию будут влиять и электрическая, и магнитная составляющие излучения. Разница коэффициентов поглощения светового излучения с разносторонней поляризацией не равна нулю.

— Что дает знание о лево- или правосторонней структуре вещества?

— Это явление уже применяют в биологии и фармацевтике для определения хиральности молекул. Его необходимо знать, например, при изготовлении новых лекарств, чтобы отделить правые молекулы от левых, поскольку они могут в корне различаться по своим свойствам. Так, кокаин с правыми молекулами — наркотик, а с левыми — безвредное вещество.

К слову, вроде бы одинаковые по химическому составу с оригинальными медпрепаратами подделки-джинерики могут «не лечить, а калечить», если у них правые элементы молекул в ходе химического синтеза замещены на левые. К примеру, в США в 60-х годах ХХ века из-за того, что на строение молекул производители лекарств поначалу не обращали внимания, у беременных женщин часто случались выкидыши.

Электроника «в теле»

— Как влияет на свойства жидких кристаллов добавление золотых наночастиц?

— У металлических наночастиц есть одна особенность. На их поверхности возбуждается поверхностный плазмонный резонанс, что приводит к их окрашиванию в самые разные цвета — желтый, красный, синий, зеленый… Цвет зависит от их размера. Особенность золота заключается в том, что это химически инертный металл, что позволяет его использовать в медицине. Именно поэтому разноцветные витражи с добавкой золота в церквах не выцветают столетиями!

Хиральная молекула — это своего рода молекулярная катушка индуктивности, а ахиральная — провод. Если к ней подвести наночастицу золота, происходит так называемая модуляция добротности. Это явление может найти применение для создания элементной базы в молекулярной электронике.

— Можно ли создать молекулярную катушку индуктивности?

— Мы доказали, что внедрение золотых наночастиц позволяет решить эту проблему. Подбирая молекулы с различными свойствами, мы сможем выстраивать электросхемы на молекулярном уровне. Этот подход позволяет создавать сверхкомпактные электронные схемы, которые можно интегрировать, например, в тело человека! Сегодня электроника уже вышла на наноуровень, но дальше с уменьшением размеров происходит существенная потеря энергии. Мы же исследуем кардинальное решение проблемы — использование молекул в качестве электронных компонент… Уже есть их предшественники — органические светодиоды. Я уверен: за молекулярной электроникой будущее.

Вживленный диагност?

— Где это может найти применение?

— Одна из возможных сфер применения — диагностирование и коррекция состояния организма человека. Это будет своего рода молекулярный фитнес-трекер — как популярный у спортсменов электронный браслет, отслеживающий нарушения здоровья. Онлайн-анализ параметров органов человека, активности головного мозга и контроль процессов, протекающих на молекулярном и клеточном уровне, позволит на ранней стадии выявлять опаснейшие заболевания, не доводя их до критической черты.

— Какие болезни, на ваш взгляд, можно будет лечить с помощью вживленного «молекулярного чипа»?

— Он может помочь с ранней диагностикой и лечением старческих болезней — Альцгеймера и Паркинсона. Это открытие может стать инструментом выявления дефектов ДНК, диагностики онкологических заболеваний, подведения лекарства к пораженным клеткам. К примеру, химиотерапия наносит вред и здоровым клеткам, а золотая наночастица, расплавленная лазером либо СВЧ-излучением, избирательно уничтожит только больные.

Доставить ее к пораженному очагу можно с помощью воздействия магнитным, электрическим полем. Уже проводятся эксперименты и с «запряжкой» сперматозоида: к нему прикрепляется «золотой рюкзачок», который срабатывает при подходе к раковым клеткам.

Спираль жизни

— А обладает ли мозг лечебной силой?

— Это пока тайна природы. Биомолекулярная технология может стать инструментом генной инженерии, помочь с лечением генетических заболеваний, связанных с нарушением структуры «спирали жизни» — ДНК.

Фундаментальная проблема ХХI века — расшифровать нейрокод человека. Не исключено, что в перспективе мозг, получив информацию от молекулярного диагноста, будет посылать излечивающий сигнал в очаг болезни, способствуя исцелению. Но пока человечество только на подходе к пониманию этой проблемы, и отказываться от традиционных методов лечения было бы антинаучно.

— Есть ли надежда  победить не только бактерии, но и бессмертные вирусы, в том числе ВИЧ?

— Недавно выяснилось, что наночастицы золота убивают вирусы «на пару» с редчайшим веществом — фуллереном, особой формой углерода, которую недавно обнаружили с помощью спектрального анализа в межзвездном пространстве (за это присуждена Нобелевская премия).

Этот метод может произвести революцию и в лечении рака головного мозга. Он защищен клеточной мембраной, которую трудно преодолеть, а в Бразилии ученые нашли решение проблемы, прицепив золотую наночастицу к жидким кристаллам.

«Золотой» глаз

— Сможет ли хиральный эффект вернуть зрение человеку?

— В какой‑то мере да. Когда сетчатка глаза повреждена, уже исследуется возможность создать ее искусственный заменитель из органической пленки с диспергированными золотыми наночастицами. Это не бионический глаз, а совершенно новая технология, которая может произвести переворот в офтальмологии.

— Как ваше открытие стыкуется с наукой о красоте?

— Вместе с доктором Вольфгангом Хаазе мы по заказу косметической компании Wella проводили исследования волос человека: оказывается, по их оптическим свойствам можно определить, из какого он региона планеты. Кроме того, нанотехнологии помогут избавиться от седины! Если в луковицу внедрить наночастицу золота, можно без всякой краски придать волосам любой цвет спектра! И он  уже не смоется!

«Молекулярный багаж» на Марс?

— Может ли крошечная «молекулярная капсула» помочь с выходом на космический масштаб?

— Эта технология вполне подходит для биоэлектроники, 3D-печати, которые сделают возможными, например, полеты на Марс. Взять с собой все необходимое невозможно из-за нехватки места, а молекулярные и нанотехнологии позволят вырастить любой объект.

Кроме того, молекулярная электроника может стать биологической альтернативой квантовому компьютеру будущего, применяться для хранения огромных массивов информации, сложнейших вычислений.

— И все-таки, какой, по вашему мнению, будет электроника будущего?

— Думаю, она будет сверхкомпактной, на нано- и молекулярном уровне организации материи.

Словом, возможности нашей технологии почти безграничны. Молекулярная биоэлектроника — лишь одна из ее возможных сфер применения, и кто знает, какие еще сюрпризы нам принесет взгляд в глубь микромира природы!




Вчера | 14:28
Шанс на жизнь. В Челябинске построят больничный корпус для детей c онкологией

В 2021 году в Челябинске начнется строительство нового детского хирургического корпуса. В нем разместят отделение онкогематологии и койки хирургического профиля. Врачи очень ждут, что в подразделение, наконец, «завезут» высокие медицинские технологии, которых сейчас так не хватает здесь для спасения самого ценного — детских жизней.

Вчера | 11:16
Наука или война мифологий. Челябинские ученые призывают исследовать историю тюрков

Фонд содействия сохранению культурного наследия «Общественный фонд «Южный Урал» выиграл конкурс на получение субсидии правительства Челябинской области для социально ориентированных НКО, осуществляющих деятельность в сфере государственной национальной политики региона.

Вчера | 16:55
Получат ли Челябинск и Магнитогорск трансферты из Москвы на снижение выбросов

Правительство РФ определило условия федеральной помощи по проекту «Чистый воздух».

Вчера | 15:39
Магнитогорцы выберут проекты преображения городской среды

Горожане предлагают продолжить бульвар и подсвечивать здания на набережной реки Урал.

Новости   
Спецпроекты